活动外遮阳在被动式超低能耗建筑中的节能效果研究

河北建研科技有限公司 杜 宇

河北省建筑科学研究院有限公司 郝翠彩

张家口市绿色建筑发展中心 李 波

1.被动式超低能耗建筑的特点

被动式超低能耗建筑（以下简称“被动房”）是指充分适用气候特征和自然条件，通过被动式技术手段，采用保温隔热性能和气密性能更好的围护结构，运用高效新风热回收技术，合理利用可再生能源，大幅降低建筑供暖供冷需求，用更少的能源消耗提供更舒适室内环境的建筑。

“被动房”有以下5个特点。

1）外围护结构保温隔热体系

建筑围护体系由外墙、屋面、地面及外门窗组成，加强围护体系的保温性能是“被动房”建筑设计和建造中重要的技术措施。DB13（J）/T 8359- 2020《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》（以下简称《标准》）中要求建筑物屋面、外墙的传热系数K≤0.15W/(m2·K)，外门窗传热系数K≤1.00W/(m2·K)。正如人在冬季最直接的御寒手段是穿上保暖的衣物，而“被动房”充分发挥该原则，在考虑现有建筑材料性能和价格基础上，为建筑“穿上最保暖的外套”。

2）无热桥设计和施工

在围护结构的阻热性能明显提高后，“热桥”就成为影响围护体系保温效果的重要因素。“被动房”建筑应尽量避免“热桥”存在。

3）良好的建筑气密性

基于“被动房”理念，建筑应是不受室外环境干扰的独立系统。因此，建筑的气密性对于“被动房”极其重要，除了可降低热量损失，还可控制室内环境的湿度和保护建筑结构。在“被动房”建筑设计中，部分窗扇固定不可打开，部分可开启，且窗扇在关闭时也需满足很高的气密性要求。“被动房”设计标准中有严格的指标要求，即在建筑气密性测试中，在室内外50Pa压力差的情况下，每小时的空气渗透量不能超过建筑总容积的60倍，即N50≤0.6h 。

4）带高效热回收的新风系统

当建筑的气密性大幅提高后，适宜的通风换气方式对 “被动房”建筑尤为重要。现有建筑中，开启窗户和门窗缝隙的渗透是实现建筑冬季换气的常用方式，但损失大量的热量。在“被动房”建筑中，换气主要通过机械通风的方式完成，将建筑排风中的热量回收，用以预热室外的新鲜空气并送入室内是实现“被动房”节能目标的关键技术之一，被动房要求通风系统的热量回收率≥75%。目前欧洲使用的热交换器的热回收效率较高，达75%～90%，故传统建筑在冬季通风换气损失的热量在“被动房”建筑中很大程度上被避免。

5）合理利用可再生能源

从冷热源方面讲，在寒冷地区“被动房”应优先选择空气源热泵，此外，应合理利用当地气候、地理优势，充分利用太阳能、风能、地热能等可再生能源。

2.活动外遮阳

根据“被动房”特点可知，“被动房”是保温隔热性能优良且建筑结构本身几乎“密不透风”的建筑，故在围护结构得热及渗透得热带来的冷需求较小情况下，外界环境因素中通过玻璃产生的太阳辐射得热对建筑冷需求的影响更为突出。虽通过调整玻璃的SHGC（太阳得热系数）可控制建筑的夏季冷需求，即玻璃的SHGC值越低，太阳得热越少且夏季制冷需求就越小，但玻璃太阳得热量的减少会导致冬季制热需求明显增大，故对于夏季制冷需求超标的建筑，可调节的活动外遮阳为最优解决方案。活动外遮阳的形式多样，总体可分为织物类遮阳和铝合金百叶遮阳。织物类外遮阳主要适用于低层建筑，铝合金百叶遮阳更适用于高层建筑。铝合金外卷帘是将铝合金帘片活动连接，并通过驱动结构实现其卷取收放的产品，其结构可靠且具有抗风压性能。该产品在我国局部地区有较大面积应用的经验。

3.活动外遮阳对空调能耗的影响

以石家庄某被动式超低能耗居住建筑项目为例，利用 DeST软件对不同遮阳设置情况进行模拟计算，分析遮阳对建筑的夏季制冷需求及空调能耗的影响。

3.1建立研究模型

项目位于河北省石家庄市，属于寒冷B区，该项目11号楼位于地块西南角，南向及西向无其他建筑遮挡，因此选取11号楼这一夏季最不利建筑作为研究对象。11号楼建筑类型为高层居住建筑，地上17层，地下1层，总建筑面积8979.33m2，南向窗墙比达0.40，DeST软件中建立模型如图1所示，其他关键参数设置如表1所示。模拟计算中采用的气象参数为JGJ/T 346-2014《建筑节能气象参数标准》中石家庄典型气象年逐时气象参数。

图1 模型建立

表1 模型中关键参数的设置

该项目空调系统采用超低温变频变风量风管机，其冷热源为空气源热泵。新风机的全热回收效率≥70%，显热回收效率≥75%，通风电力需求≤0.45W·h/ m3，机组COP按照夏季2.7，冬季2.0计算。年供暖、供冷需求计算起止日期按《标准》表8.1.6设置，供暖时间段为11月07日-3月30日，供冷时间段为5月19日-8月22日。模型中的房间人员在室率、电器设备使用率、照明开启率按照《标准》要求设置。

3.2 不同遮阳设置情况的对比分析

活动外遮阳效果对建筑节能的影响主要体现在夏季，故只分析夏季制冷需求及夏季空调能耗，本次模拟分析分为3种情况。

1）完全未设置遮阳

年制冷需求为27.21kW·h/m2，年空调制冷能耗为5.41kW·h/m2。

2）仅在南向阳台外窗设遮阳

年制冷需求为21.87kW·h/m2，年空调制冷能耗为6.49kW·h/m2。

3）南向所有外窗均设遮阳

年制冷需求为14.44kW·h/m2，年空调制冷能耗为7.76kW·h/m2。

从模拟数据中可知，未采用遮阳时，制冷需求最高，无法满足《标准》中年制冷需求≤22kW·h/m2的要求，当仅在南向阳台外窗设置遮阳时，制冷需求和空调能耗有所降低，当南向所有外窗均设置活动遮阳时，制冷需求和空调能耗明显下降。由此可知当窗墙比（尤其是南向）较大时，活动外遮阳的节能效果明显。  

3.3 外遮阳设置策略

因活动外遮阳造价较高，考虑到性能化设计原则，该项目最终选择仅在南向阳台设置活动外遮阳的方案，在满足标准中对制冷需求及一次能源总消耗要求的前提下，尽可能优化成本。在使用外遮阳时，百叶角度对制冷需求和空调能耗产生影响，随着百叶角度增大，房间的制冷需求和空调能耗逐渐升高。随着角度增大，进入房间的太阳辐射增多，从而增加夏季空调能耗。但不代表角度越小越好，当百叶角度为0°时，百叶完全闭合，将遮挡自然光。开启角度过小影响房间的自然采光，故百叶控制角度除考虑降低能耗外，还应充分考虑自然采光的需求。  

4结语

对于被动房超低能耗建筑来说，因其优良的外保温隔热系统及良好的气密性，建筑的围护结构得热及渗透得热小，因此太阳辐射得热对夏季制冷空调能耗的影响更突出。通过模拟计算结果可知对于南北朝向且南向窗墙比较大的建筑，其夏季制冷能耗无法满足《标准》要求时，在南向设置活动外遮阳能有效降低夏季制冷能耗，但考虑到活动外遮阳的造价和自然采光需求，在制定活动外遮阳策略时，可在满足《标准》要求的同时，尽可能优化成本，实现性能化设计，并在使用时合理控制百叶角度，在降低空调能耗的同时，保证室内自然采光需求。

本文来源：城市住宅. 2021(02)